（光学工程专业论文）插电式并联混合动力客车建模及仿真.pdf

modeling and simulation of a plug-in parallel hybrid electric bus a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by fan biao supervised by associate prof. shu hong major: vehicle engineering college of mechanical engineering of chongqing university, chongqing, china may, 2011 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 随着全球汽车工业的发展，汽车的产量和保有量逐年增加，能源短缺和环境 污染问题日益严重，新能源汽车成为当前各汽车企业和科研机构的研发热点。目 前，插电式混合动力汽车（plug-in hybrid electric vehicle，phev）已成为新 能源汽车的研发热点之一。 本文以插电式并联混合动力客车为研究对象。介绍了 phev 的优缺点和工作 模式的特点，选择单轴双离合器并联式布置作为插电式混合动力客车动力系统结 构，并建立了动力系统各部件的数学模型和基于 matlab/simulink 的可运行在 advisor 仿真平台上的整车仿真模型；对并联式混合动力汽车的电力辅助控制策略 进行研究，并结合混合动力客车的结构和中国典型城市公交工况的特点确定整车 控制策略；采用正交实验方设计法，以城市公交车每天平均行驶里程 180km（30 个中国典型城市公交循环工况）为计算里程基准，对控制策略的控制参数进行正 交试验设计，并以整车油耗最小值为评价指标进行分析，确定最优控制参数组合。 根据建立的整车模型进行仿真，得到插电式混合动力客车的动力性及在中国 典型城市公交循环工况下运行的百公里油耗、发动机工作点分布图和电机工作点 分布图等。仿真结果表明，发动机、电机工作状态良好，基本能工作在最佳效率 区域，整车控制策略可以实现合理的功率分配和发动机、电机的起停，制动能量 回馈，并能保证 soc 始终维持在其设定区域内；电池容量的选择能满足续驶里程 的要求；控制参数进行正交设计优化后，节油效果比较明显。 关键词关键词：混合动力汽车，建模，控制策略，仿真 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract with the development of the global automobile industry, the yield, sale quantity and inventory quantity of the automobile are increasing year by year, the problems of energy short and environment pollution are becoming more and more serious, and the new energy automobile becomes the hotspot of the automobile company and research institution. at present, plug-in hybrid electric vehicle is one of the new energy automobile research spots. the plug-in hybrid bus was researched，the advantages and disadvantages of phev and the work feature of phev were principally introduced, and the single axle and dual-clutch structure was chosen for the plug-in city bus. a simulation model based on matlab/simulink was modeled，which can run on simulation platform of advisor. the electric assistant control strategy of parallel hybrid vehicle was researched. according to the design demands, the main parameters of the plug-in city bus were calculated and matched, the control strategy combined the configuration of the plug-in city bus with the chinese typical city bus road condition was established. the parameters of control strategy were designed by using orthogonal designing experiment based on average running mileage 180km (30 chinese typical bus driving cycles)of the city bus, ultimately, the combination of optimal control parameters was confirmed based on the minimum fuel consumption. according to the establishing model, the acceleration performance,climbing performance,max speed，the vehicle fuel consumption per hundred kilometers on the chinese typical city bus road condition, the working point distribution map of engine and motor were obtained. the results show that engine and motor is worked in good condition, which is worked in the optimal efficiency zone when meeting the demand of power performance and fuel economy. the proper power distribution, start and stop of engine and motor, brake energy feedback, as well as maintaining soc in the enactment zone can be realized reasonably based on control strategy; the batterys capacity can meet the demand of range. fuel consumption is reduced obviously by using orthogonal designing optimization for control parameters. the fuel consumption is more lower after the parameters of control strategy was optimized by orthogonal experiment designing. key words: hybrid electric vehicle; modeling; control strategy; simulation 重庆大学硕士学位论文 目 录 iii 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 引言引言 . 1 1.2 混合动力客车发展现状混合动力客车发展现状 . 2 1.2.1 国外混合动力客车发展现状 . 2 1.2.2 国内混合动力客车发展现状 . 2 1.3 混合动力汽车控制策略研究现状混合动力汽车控制策略研究现状 . 3 1.3.1 基于规则的控制策略 . 3 1.3.2 基于智能控制的控制策略 . 4 1.3.3 基于优化算法的控制策略 . 5 1.4 本文研究内容本文研究内容 . 6 2 插电式混合动力系统分类及特点插电式混合动力系统分类及特点 . 7 2.1 插电式混合动力汽车动力系统类型插电式混合动力汽车动力系统类型 . 7 2.1.1 串联型 phev . 7 2.1.2 并联型 phev . 7 2.1.3 混联型 phev . 8 2.2 phev 工作模式工作模式 . 9 2.2.1 电量消耗模式 . 9 2.2.2 电量保持模式 . 10 2.3 混合动力系统结构选型混合动力系统结构选型 . 10 3 动力系统部件选型和参数匹配动力系统部件选型和参数匹配 . 12 3.1 插电式并联混合动力客车动力总成插电式并联混合动力客车动力总成 . 12 3.2 发动机功率的选择发动机功率的选择 . 13 3.3 电机功率的选择电机功率的选择 . 14 3.4 传动系速比的确定传动系速比的确定 . 15 3.5 动力电池组的确定动力电池组的确定 . 16 3.6 本章小结本章小结 . 17 4 插电式并联混合动力客车建模插电式并联混合动力客车建模 . 18 4.1 引言引言 . 18 4.2 仿真软件仿真软件 advisor介绍介绍 . 18 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 4.3 发动机模型发动机模型 . 19 4.4 电机模型电机模型 . 21 4.5 电池模型电池模型 . 23 4.6 车身模块车身模块 . 25 4.7 车轮模块车轮模块 . 26 4.8 离合器模块离合器模块 . 27 4.9 主减速器模块主减速器模块 . 27 4.10 变速器模块变速器模块 . 28 4.11 整车仿真模型整车仿真模型 . 28 4.12 本章小结本章小结 . 29 5 插电式混合动力客车控制策略及仿真插电式混合动力客车控制策略及仿真 . 30 5.1 引言引言 . 30 5.2 插电式混合动力客车控制策略插电式混合动力客车控制策略 . 30 5.3 控制参数的优化控制参数的优化 . 35 5.3.1 控制变量和循环工况 . 35 5.3.2 正交试验法概述 . 35 5.3.3 控制变量正交试验设计 . 36 5.4 整车仿真设置整车仿真设置 . 40 5.4.1 仿真参数设置 . 40 5.4.2 仿真任务设置 . 40 5.5 动力性及经济性仿真结果分析动力性及经济性仿真结果分析 . 43 5.5.1 动力性仿真结果及分析 . 43 5.5.2 燃油经济性仿真结果分析和动力电池 soc 变化分析 . 44 5.5.3 功率扭矩分配特性分析 . 45 5.5.4 动力电池 soc 的变化 . 46 5.5.5 发动机与电机工作点及效率分析 . 46 5.6 本章小结本章小结 . 49 6 结论及展望结论及展望 . 50 6.1 全文总结全文总结 . 50 6.2 工作展望工作展望 . 50 致致 谢谢 . 51 参考文献参考文献 . 52 附附 录录 . 55 a 作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 . 55 重庆大学硕士学位论文 目 录 v b 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目 . 55 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 引言 能源和环境是实现可持续发展的必要条件。随着全球汽车工业的发展，汽车 的产量、销售量和保有量逐年增加，现在全球都面临着环境污染和石油资源枯竭 的威胁。因此能源和环境问题已经成为汽车工业在 21 世纪的两大发展主题。 应对挑战世界各大汽车公司和有关研究机构都在积极开展节能和新能源汽车 的研究， 因此出现了纯电动汽车、 混合动力汽车和燃料电池汽车。 纯电动汽车 （ev） 是一种真正意义上的清洁汽车，虽然近年来得到国家的大力支持，但受电池和电 机技术及成本等因素的限制，电动汽车的大规模推广还尚需时日；燃料电池汽车 （fcev）的研究也在持续升温，但目前生产成本过高，技术也不是很成熟，很难 实现产业化；混合动力电动汽车（hev）是在电动汽车发展过程中出现的一种低 油耗、低排放、续驶里程长、价格适中，兼具纯电动汽车和传统燃油汽车优点的 新型汽车。因此混合动力汽车就成为一种比较“折中”的方案，成为现阶段最实用、 最具有前景的清洁车型。 混合动力汽车1就是一个将传统的驱动系统以及利用可重 复充电的电能储存系统的驱动系统有机结合在一起的混合驱动汽车，它比传统内 燃机车有着更好的燃油经济性，它同时继承纯电动汽车和传统内燃机车的优点。 由于发展传统混合动力汽车存在着高价格、低效率、燃油使用量仍然较多等问题， 从而发展前景并不乐观。 目前，插电式混合动力汽车（plug-in hybrid electric vehicle，phev）是混合 动力汽车(hev)的发展方向之一。 phev 是指可以使用电力网 （包括家用电源插座， 例如 220v 电源）对动力电池进行充电的混合动力汽车。phev 具有如下主要特点 2-4： 具有纯电动汽车低噪音、零排放及高能量效率等全部优点； 可以大大降低有害气体、温室气体的排放，提高混合动力汽车的燃油经济 性和动力性能； 具有纯电动状态下行驶较长距离的功能，但需要时仍然可以以全混合模式 工作，其最大的特点是将混合动力驱动系统和纯电动驱动系统相结合，里程短时 采用纯电动模式，里程长时采用以内燃机为主的混合动力模式； 可利用外部公用电网（主要是晚间低谷电力）对车载动力电池进行均衡充 电，可改善电厂发电机组效率、消峰填谷缓解供电压力； 具有纯电动行驶，可大大降低对石油的依赖。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 1.2 混合动力客车发展现状 1.2.1 国外混合动力客车发展现状 20 世纪 70 年代， 国外就开始进行混合动力汽车的研发， 但由于其技术不成熟， 实现起来很困难，直到 20 世纪 90 年代，各国才相继推出混合动力样车，并批量 生产。近年来，美、日、德等汽车工业强国加大了政策支持力度，先后发布了关 于推动包括混合动力汽车在内的新能源汽车产业发展的国家计划，并已取得了一 些重大的成果和进展5。 1989 年日野（hino）公司开发了全球首例柴-电混合驱动系统 himr6，目前 装备该系统的汽车已超过 300 辆，主要为大城市行驶的客车和公交客车。1997 年， 韩国亚洲汽车公司 （amc） 研发了韩国第一辆并联式柴油-电动混合动力城市客车。 美国纽约从 1998 年起， 使用了由 orion 客车公司生产的 bae 串联式混合动力城市 客车，目前有超过 500 辆此类客车在纽约、多伦多和旧金山等城市运行。曼商用 汽车公司和福伊特驱动技术有限公司（voithturbo）及西门子汽车科技公司联合开 发了使用 epcos 超级电容的柴-电混合动力电动客车，并于 1998 年 3 月首次在德 国纽伦堡投入试运行。1999 年，沃尔沃客车公司研制的以乙醇为燃料的燃气轮机 电动混合动力客车在瑞典进行路试检测。2002 年日野公司又开发了燃油经济性能 和排放性能更完善的混联式柴-电混合动力汽车。2003 年，美国俄勒冈州的波特兰 市，tri.met 公司开始将标准长度的串联式混合动力客车投入运营。同年，美国西 雅图市购买了235辆装备有通用allison transmission开发的e-systems并联式混合 动力系统柴油发动机的混合动力电动客车，并于 2004 投入运营。2003 年，英国 eneco 公司成功地研制出一辆串联式混合动力城市客车，并破纪录地完成了从 sussex 到 preston 的 300 英里不间断的行驶。2007 年 12 月，第二十三届国际电动 汽车会议在美国加利福尼亚州召开，本田、福特、通用、丰田等多家汽车制造行 业的领导者参加了此次会议，此次会议单独设立了插电式混合动力(plug-in)主题大 会，与 plug-in 有关的内容超过其他议题内容，占约 70%左右。随后以美国通用为 代表的一些汽车制造公司，纷纷展示自己的研究成果，让大家看到了插电式混合 动力汽车稳健的发展前景。这些无不预示着插电式混合动力汽车将是混合动力车 发展的必然选择。 1.2.2 国内混合动力客车发展现状 我国十分重视混合动力汽车的研发， 2000 年国家召开的 863 电动汽车会议上， 混合动力汽车被确定为优先发展的对象。因此国内各大汽车厂和机构纷纷开展混 合动力汽车的研究，其中有些成功开发出产品或样车7。 1996 年，中国远望集团总公司与北京理工大学等单位联合，成功研制了 51 座 电动大客车。1998 年，清华大学与厦门金龙公司合作研制了混合动力客车；同年， 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 江苏理工大学也进行了串联式混合动力公交轻型客车的研制。2003 年，由东风电 动车辆股份有限公司联合北京交通大学、北京中纺锐力机电有限公司和湖南神州 科技股份有限公司共同开发的 eq61100hev 并联混合动力客车7， 率先在武汉 510 路上进行示范运行，在成功示范运行两年后，首批下线的 15 台东风 eq6100hev 混合动力电动公交客车交付武汉市公交公司，在国内首次实现混合动力汽车商业 化销售。2004 年，上汽集团汽车工程研究院同上海交通大学、中科院上海微系统 所等单位合作， 完成了上海市科委、 上汽集团“申新动 1 号”混合动力城市公交车概 念样车开发。同年，由一汽集团研究的 ca6100hev 混合动力城市客车在无锡客 车厂驶下装配线。2007 年，由福田欧客车公司与美国伊顿公司研发的福田欧 vbj6113/6123 混合动力客车完成批量生产技术和工艺准备。2008 年，由大众交通 集团与厦门金旅联合开发的 xml6125 油电混合动力客车在杭州正式投入运营。 2009 年，重庆恒通气电混合动力客车正式下线。2010 年陕汽汽车集团公司与重庆 大学等单位合作研创成功插电式混合动力客车。2009 年 3 月 20 日， 汽车产业调 整和振兴规划细则正式出台。按照规划细则，通过改造现有生产能力，形成 50 万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车 销量占乘用车销售总量的 5%左右。同时，启动国家节能和新能源汽车示范工程， 由中央财政安排资金给予贴，支持大中城市示范推广混合动力汽车、纯电动汽车、 燃料电池汽车等节和新能源汽车。 1.3 混合动力汽车控制策略研究现状 混合动力汽车的控制策略就是在满足汽车驾驶员行驶要求的前提下，如何合 理的分配发动机和电机之间的能量流，从而使整车获得最低的排放和最高的燃油 经济性。因此在混合动力汽车的整车结构确定以后，控制策略就决定了整车性能 的好坏。控制策略作为混合动力汽车控制系统的关键技术，目前可以分为基于规 则的控制策略、基于智能控制的控制策略和基于优化算法的控制策略等三类9。 1.3.1 基于规则的控制策略 基于规则的能量管理策略也称为基于逻辑门限的能量管理策略。其基本思想 主要是依据部件的稳态效率 map 图，确定发动机和电机之间的能量流分配。该控 制方法简单有效，实用性强，得到了广泛的运用9-10，并且是制定许多其它控制策 略的基础。 电力辅助控制策略11是一种典型的基于规则的能量管理策略。在电力辅助控 制策略中，是根据驾驶员指令（加速踏板和制动踏板开度）求得系统对功率的需 求，根据功率需求，由整车控制器决定混合动力系统中的能量流，最后根据车速、 负载和电池荷电状态 soc 来确定发动机的运行区域以及电机的运行状态。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 一般情况下，电力辅助控制策略是以发动机作为主动力源，电机和电池提供 峰值功率。这种控制方式的具体工作模式如下： 当车速低于设定值时，电机提供全部的驱动转矩； 当发动机提供需求的驱动转矩，但在给定的速度上运行效率很低时，发动 机停止运行，并由电机提供驱动转矩； 如果车辆驱动所需转矩高于当前发动机转速下发动机允许提供的最大转矩 时，电机提供额外的驱动转矩； 制动能量回收，电机将制动能转换为电能给电池充电； 当电池 soc 较低时，发动机此时的输出转矩高于驱动转矩，发动机将提供 额外的转矩给电机给电池充电。 基于规则的控制策略主要根据工程经验及稳态的效率 map 制定，并没有考虑 动态下各个部件的运行工况变化，故不能达到系统性能最优。 1.3.2 基于智能控制的控制策略 智能型控制策略主要是通过运用模糊逻辑、神经网络及遗传算法等智能控制 技术来决策混合动力系统的工作模式和功率分配。智能控制的基本出发点12是模 仿人的智能，根据被控系统动态过程中定性和定量的信息，进行综合集成、推理 决策，以实现对复杂非线性不确定系统的有效控制。 模糊逻辑控制策略是最典型的智能型控制方法。模糊逻辑控制是上世纪末发 展起来的一门新兴学科，在短短二、三十年里即得到广泛的应用。国外的研究表 明，模糊逻辑控制非常适合混合动力汽车的控制13-14。模糊控制器是模糊逻辑控 制策略的核心，它包括：规则库、推理机制、模糊化接口和去模糊化接口。模糊 控制具有如下的优点15： 控制灵活，基本上任何控制都可以通过模糊控制来实现。 模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需建立 数学模型，是解决不确定性系统的一种有效途径。 模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明 显，可用于非线性、时变、时滞系统的控制。 控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，为智能控制 应用打下了基础。 模糊逻辑控制策略的出发点是通过综合考虑发动机，电机和电池的工作效率 来实现混合动力系统的整体效率最高。模糊逻辑控制策略的目标与实时控制策略 比较相像，但是与实时控制策略相比，模糊逻辑控制策略具有鲁棒性好的优点 16-17。 niels j.schouten 等人以 sugeno-takagi 模糊控制模型为基础16，设计了并联混 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 合电动汽车混合动力驱动系统模糊逻辑控制器，以达到以下目的： 满足驾驶员对行驶驱动力的要求； 在任何时候保持电池处于能量充足状态； 优化发动机、电动机、电池和变速器四个基本部件的综合效率。 该模糊逻辑控制器将整个能量管理策略简化成三部分：第一部分根据驾驶员 的指令以及车速判断车辆驱动功率需求；第二部分根据驱动功率需求、当前 soc 值和电动机转速，通过模糊逻辑控制器确定发动机功率和比例因子；第三部分根 据驱动功率需求，计算所得的发电机功率和比例因子（在电动机作为电动机运行 时使用，若 soc 值太低，比例因子接近 0；若 soc 值较高，比例因子接近 1） ，从 而确定发动机的目标功率值和电动机的目标功率值。 神经网络18一种模仿生物神经网络行为特征，以信息的分布式存储和并行处 理为基础的数学算法模型。它在许多方面更接近于人对信息的处理方法，具有较 好的自学习、自适应能力及很强的非线性函数逼近能力。但其缺点是：经过学习 后，神经网络所获得的输入/输出关系无法用直观的形式表现出来。采用神经网络 与模糊控制相结合的控制策略将具有较大的推广价值19。 遗传算法20是建立在自然选择和遗传学机理基础之上的迭代自适应概率性搜 索算法。它能够实现在搜索空间上的多点充分搜索，从而达到优化问题的快速全 局收敛。采用遗传算法进行优化，是对经过染色体编码的字符串进行操作，而不 是针对参数本身，并且只需要通过适应度函数对优化问题进行评价，而不需要其 它形式的信息，因此遗传算法对不同问题具有很强的适应能力。遗传算法的这些 特点，使它特别适用于优化混合动力汽车能量管理策略。 1.3.3 基于优化算法的控制策略 基于优化算法的控制策略包括瞬时优化控制策略和全局优化控制策略21-24。 瞬时优化控制策略也叫实时优化控制策略，它在已知各个部件的特性的基础 上，在任一时刻，通过实时比较各个工作模式的整体效率来决定各个部件的工作 状态，以使整个系统在能量流动过程中能量损失最小。由于发动机在不同工作区 域的燃油经济性和排放性不同，因此为了得到整车的综合最佳性能，就必须折衷 处理理想燃油经济性、排放性和加速性能的关系，并由此建立相应的实时优化目 标函数。 式（1.1）为典型的实时优化目标函数表达式，其中 w1, w60，l为对应 量的权系数，表示变量的影响程度，且满足 w1+w60，l。 目标加速时间 加速时间 排放值目标排放值目标 排放值目标排放值目标目标百公里油耗 百公里油耗 654 321 min)min( w pm pm w no no w co co w hc hc ww f x x （1.1） 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 6 设计人员根据自己的要求设定这组权值，从而在油耗、排放和加速性能中获 得折衷。实时控制策略中，对实验数据的准确性和全面性要求很高，而在实际中 是比较难以达到的；而且各个部件在使用中，受老化、动态特性等因素的影响， 其特性必然是随着时间的推移而变化的。在这种情况下，实时控制策略就不能达 到预期的要求，影响车辆的燃油经济性。 全局优化方法，是在既定驾驶循环下根据最优控制理论动态分配动力源能量 输出以使整车性能达到最优的计算方法。全局优化方法有：多目标数学规划，动 态规划和矩阵分割法等25。研究最为成熟的是基于 bellman 动态规划理论的能量 管理策略26，该方法首先建立空间状态方程，然后计算在约柬条件下满足性能指 标的最优解。使用全局优化能量控制策略可以实现真正意义上的最优化，但全局 优化算法的计算工作量往往较大，一般只能够得到数值解，优化结果不能直接应 用到实际控制当中。不过，通过全局优化得到的最优控制，可以获得优化控制的 宏观规律，为制定合